Entwicklung und Bewertung von Leistungsübertragungssystemen verschiedener Spannungsniveaus für brennstoffzellenbasierte elektrifizierte Luftfahrtantriebe

Abstract

Die vorliegende Masterarbeit behandelt die Entwicklung und Bewertung von Leistungsübertragungssystemen auf verschiedenen Spannungsniveaus für brennstoffzellenbasierte elektrifizierte Luftfahrtantriebe. Der Stand der Technik zu bestehenden Leistungsübertragungssystemen in Flugzeugen, elektrifizierten Antriebsarchitekturen sowie den Komponenten brennstoffzellenbetriebener Antriebe wird vorgestellt. Die Komponenten sind Propulsoren, Elektromotoren, leistungselektronische Bauelemente und Komponenten, Brennstoffzellen, Akkumulatoren, Batterien, Kabel, Leitungen, Schutzeinrichtungen, Kühlung und Thermalmanagement. Mittels einer selbstständig entwickelten Methodik werden das Vorgehen der Vorauslegung und der Bewertung festgelegt. Durch eine Anforderungsanalyse für Leistungsübertragungssysteme in der Luftfahrt, werden die gestellten Entwicklungs- und Zulassungsanforderungen an Leistungsübertragungssysteme und deren Komponenten identifiziert. Die Entwicklungsanforderungen betreffen die Integrationsformen des Antriebssystems, die Charakteristik des elektrischen Systems und die Systemkomponenten. Aus diesen Anforderungen werden Bewertungskriterien entwickelt und gewichtet. Die identifizierten vier Kriterien sind: Masse und Leistungsdichte, Effizienz, Sicherheit sowie Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und Kosten. Die Vorauslegung erfolgt für eine gondelintegrierte Systemarchitektur mit zwei Gondeln und eine teilrumpfintegrierte Architektur mit sechs verteilten Antrieben. Es werden analytische Vorauslegungen für Kabel, nicht-isolierte Gleichspannungssteller, Wechselrichter und Schutzeinrichtungen beschrieben. Mithilfe der Vorauslegungen werden Leistungsübertragungssysteme bei 540 V, 1000 V und 3000 V Spannungsniveau für beide entwickelten Architekturen synthetisiert. Im Zuge der Synthese zeigen teilrumpfintegrierte Systeme mit steigender Spannung eine Reduktion ihrer Systemmasse, gondelintegrierte Systeme profitieren von einer Spannungserhöhung nicht in gleichem Maße. Die berechneten Massen liegen zwischen 1525 kg und 1897 kg. Die Effizienz der synthetisierten Systeme liegt zwischen 89,17% und 90,36%. Die Bewertung wird anhand der berechneten Werte für Effizienz, Masse und Leistungsdichte sowie einer qualifizierten Analyse von Sicherheit und Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und Kosten für die synthetisierten Systeme beider Integrationsformen durchgeführt. Unter Betrachtung aller Kriterien stellen sich die gondelintergierten Übertragungssysteme gegenüber den teilrumpfintegrierten Systemen im Sinne der Bewertung als besser geeignet dar. Über die Systemspannung ist festzustellen, dass die 1000 V-Systeme gegenüber den 540 V und 3000 V-Systemen vorteilhafte Eigenschaften aufweisen.